外骨骼裝備在未來單兵系統中的應用前景

內容摘要：當前世界上很多國家為了應對新軍事變革，都在制定和實施未來單兵系統的發展計劃，以求搶占軍事制高點，但由于這些系統融入了各種先進的軍事裝備，士兵的負重也大大增加，不利于任務的及時完成，外骨骼裝備的出現及應用將改變這種局面。外骨骼裝備既可以為士兵增強負重能力，也可以作為一個非常不錯的武器搭載平臺，通過集成多種先進武器裝備使普通士兵成為一個強大的作戰單元，同時無需考慮過多的負重對士兵的影響。外骨骼裝備將在未來單兵系統中起到重要作用，具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：單兵系統；外骨骼；應用前景

一、研究背景

當前世界上很多國家著眼于未來的戰爭需要，都在大力發展自己的未來單兵系統，目前著名的有美國的陸地勇士（Land Warrior）計劃，如圖1所示。俄羅斯的狼/士兵2000系統（Project-Wolf/Soldier2000）、法國的未來步兵（FELIN）和以色列的“阿諾格”計劃（ProjectAnog），如圖2所示。這些系統都集合了眾多的先進技術裝備，將單兵的作戰能力與以前相比提高了很多，雖然采用了多種新型材料來減輕部分裝備的重量，但是單兵的負載還是過重，不利于單兵的快速行進和任務的及時完成。對未來作戰而言，城市中的巷戰將成為主要的作戰形式，各種重型武器將很難發揮作用，更多的軍事任務將落在步兵的身上，而越來越多的單兵裝備讓普通士兵在行軍時疲憊不堪，外骨骼裝備的出現很好的解決了這個問題。

外骨骼實質上是一種可穿戴機器人^[1]，是一種可以讓人穿戴的機械裝置，它將人類的智力和機器人的“體力”結合在一起，依靠人的智力來控制機器人，通過機器人來完成僅靠人的自身能力無法單獨完成的任務^[2]。美國在這方面的研究走在了前列，五角大樓認為，未來單兵系統應當全面實現機械化和自動機器人化，并責成國防高級研究計劃局負責，撥款5000萬美元從事外骨骼機器人項目的研究，作為這個系統中的一部分，這種金屬外骨骼可以讓普通士兵在負重較大的情況下依然健步如飛，更重要的是它有望成為各種武器裝備的支架，從而大幅度提升單兵的作戰能力。近年來外骨骼機器人的研究開發已經成為機器人技術、機電工程、自動控制、生物工程以及人工智能等學科領域中一個新的研究熱點^[3]，并在軍事、科研、工業生產和日常生活中逐步得到了廣泛的應用。

圖1 美國的陸地勇士

圖2 法國的未來士兵系統

二、研究現狀

近年來代表性的研究成果主要有伯克利大學下肢外骨骼助力裝置（BLEEX）系統，如圖3所示。某公司XOS2外骨骼系統，如圖4所示。某公司HULC系統，如圖5所示。俄羅斯“某”系統，如圖6所示。BLEEX系統雖然可以幫助士兵多負載32kg的重量^[4]，但還不是一個實用機械，它的體積過大，對使用者的動作有限制，致使應用環境受到限制，可靠性和自持能力還有待提高，因此作為軍事用途還遠遠不能達到要求。XOS2骨骼系統是美國雷神公司研制的第二代外骨骼裝置，由傳感器、執行機構和控制器等組成，利用高壓液壓驅動。XOS2可使穿戴者將質量約90kg的重物反復舉起幾百次而不感到疲勞，其提供的動力還可使穿戴者重復擊穿76mm厚的木板。

圖3 BLEEX系統

圖4 XOS2系統

但目前“XOS2”有一個重大缺陷，就是XOS2還要拖著一條電線才行，而自帶的電池只能使用40min，所以很難與未來單兵系統相融合。某公司 HULC系統的最大負重量可以達到100kg以上，這些負重全部由背上的托盤承擔，然后通過機械腿直接傳遞到地面，穿戴者幾乎感覺不到任何重量。HULC系統配備了某公司的燃料電池，能夠持續工作長達72h，在一次充滿電后，HULC可保證穿著者以4.8km/h的速度背負90kg重物持續行進1個小時，而穿著外骨骼的奔跑沖刺速度可達到16km/h。目前，作為最接近實戰需要的外骨骼裝備，HULC系統已經少量的裝備美軍。作為美軍現役的外骨骼裝備，HULC系統是一個非常不錯的平臺，未來可以在這個平臺上裝備很多適合戰場作戰的單兵裝備，而不需考慮過多的負重給士兵帶來的影響。俄羅斯將在2015年前研制并裝備的新式作戰服“士兵—21”全稱為“外骨骼機器人”，目標是全面提高士兵的作戰能力?！坝率俊?1”系統包括金屬腿、背包式外架和相應的動力設備，并配有活力攻擊、控制、生命及能源保障等裝備。這套裝備與士兵身體的有效結合，幫助其承擔95%的身體負重，以保證步兵在攜帶重物時仍能飛奔^[5]。

圖5 HULC系統

圖6 “勇士—21”系統

三、應用前景

外骨骼機器人是一個復雜的人機耦合的一體化系統^[6]，有著廣泛的軍事應用潛力。以上幾個外骨骼裝備都集成了控制、能量、結構、促動和生物機械學等方面的最新科技成就，它們的目標就是與未來單兵系統相結合，使普通士兵成為“超人”。憑借外骨骼可以讓士兵有效減負的作用，武器系統可以直接安裝在套裝系統上，使士兵成為一個武器平臺。在世界各國研制未來單兵系統的過程中，大力發展和應用外骨骼技術成為一種趨勢。美國陸軍正在開發一套集成納米技術、外骨骼和流體身體護甲的未來單兵系統，其中外骨骼裝備將承擔這套系統的絕大部分重量。這種外骨骼裝備由輕質復合設備組成，這些設備連接到士兵腿部來增強力量，整個外骨骼最多可將搬運能力提高300%，可以讓體重為40多公斤的男性或女性將重100多公斤的男性或女性抱離或背離戰場，而根本感覺不到有多少負重。如果外骨骼能夠感應人體活動并對其及時做出反應，能夠提供足夠強大的能量源，將來自能量源的能量轉換為可用的促動能量并輔助穿戴者開展活動，那么外骨骼裝備將在未來的單兵系統中具有廣闊的應用前景。

目前擺在開發者面前的挑戰是巨大的，為了開發出這種外骨骼，新的設備和發明將不斷涌現，未來的外骨骼系統將裝備更加先進的軟件、更加耐用的電池，采用使用度更廣的設計，并和先進的武器裝備相融合，使普通士兵成為可以在負重較多的情況下跳過較高物體和快速奔跑的超級戰士。在不久的將來，飛行能力也將被集成到外骨骼裝備中，從而使士兵的作戰范圍和能力超越傳統的概念^[7]?？梢韵胂?，如果普通士兵穿上了已經融合各種先進武器的外骨骼裝備，那么他們的戰斗力將會多么恐怖。他們可以在負重更多的情況下，以更快速、更強大的火力投入戰斗。同時，如果后勤保障部隊裝備了外骨骼，那么一個普通士兵就可以做到平時需要幾個人才能搬運的炮彈等物資，大大的減少后勤補給時間和人員，從而極大的提高部隊的作戰能力。

隨著科技的進步，外骨骼同樣可以裝備于航天方面，輔助宇航員進行空間活動?；蛟S不久的以后，集合了各種先進技術的外骨骼就會像《鋼鐵俠》中的那套鋼鐵戰衣一般，具有非凡的能量，可以讓普通士兵成為像史塔克那樣的超人。

四、總結

外骨骼作為可以改變士兵戰場生存環境的一種新技術，或許因為它的出現，未來的戰爭形式將發生根本性的改變。目前外骨骼技術在國際上發展迅速，作為未來步兵的必備科技，各國都在加緊研究外骨骼技術，并將其和未來的單兵系統相融合，通過提高單兵作戰能力從而提升整個部隊的戰斗力。雖然還有很多技術問題需要解決，但還是有廣闊應用前景的。